低温下における建設施工の環境負荷低減に関する検討－ガーベイジ・バイオガスの道路パトロールカーへの適応性調査について－（独）寒地土木研究所

寒地機械技術チーム
道央支所
道南支所

○国島長瀬
光野英樹
禎昭宏

中空知衛生施設組合が管理する広域ごみ処理施設（リサイクリーン）において、ガーベイジ（生ごみ）をメタン発酵させることにより生成されるバイオガスを道路パトロールカーの燃料として使用するうえで、積雪寒冷地における適応性を評価し、課題や改善策を整理することにより、北海道における適応モデルを作成し、提案する。バイオガスは、化石燃料を使用せず「カーボンニュートラル」であるとされることから、CO2 削減に寄与できる。
キーワード：バイオガス、道路パトロールカー、生ごみ、カーボンニュートラル、CO2

１．はじめに
１９９７年、１２月に京都市にて開催された第３回気候変動枠組条約締約国会議（COP3）にて議決された CO2 など温室効果ガス６種の削減目標は、締約国全体で１９９０年比で２００８～２０１２年の５カ年間において－５％となっている。また、我が国に課せられた義務は、同条件で－６％となっている。なお、これらの削減枠を遵守できなければ、超過分を３割増にて次期削減義務値に上乗せされる
他、他国と温室効果ガス排出分を取引するうえで、売却が出来ない等の罰則規定が設けられている。何よりも地球規模の温暖化を防ぐには、各国が目標値を遵守することが重要であり、この削減目標を達成するには、国をあげての取組みや国民一人一人の常日頃からの努力が必要不可欠である。
本調査では、実質的な CO2 削減と未利用エネルギーを有効活用する際の積雪寒冷地における適応性調査を進めており、その中のガーベイジ（生ごみ）・バイオガスを車輌の燃料として使用する際の課題や改善策について調査検討を行った。

３月を予定している。
バイオガスの提供は、中空知衛生施設組合（滝川市、芦別市、赤平市、新十津川町、雨竜町）が管理運営する広域ごみ処理施設（以下、リサイクリーン）より無償で受けている。北海道開発局は、バイオガ
ス精製圧縮充填装置の貸与及び充填対象車輌である
CNG（圧縮天然ガス）燃料タイプ（以下、ＣＮＧ車）の道路パトロールカーを運行させ稼働データを提供して頂いている。
また、日々の充填装置の保守管理は、リサイクリーンの維持管理を担当している三井造船環境エンジ
ニアリング(株)に協力をお願いしている。
寒地土木研究所は、これらの稼働データを踏まえ、経済性等を把握すると共に、積雪や凍結など積雪寒冷地ならではの課題や車輌の始動性、動力性能などの課題を抽出し、対応策を検討する。

２．スキーム図-1

本調査を進める上でのスキームは、図－ 1 に示すとおり、３機関における協力体制にて実施している。
なお、調査期間は平成２０年７月より平成２１年
Hideki Kunishima, Tadashi Nagase, Akihiro Kouno

スキーム図

３．バイオガスの活用

滝川市に位置するリサイクリーンは、前記した３
市２町にて組織される中空知衛生施設組合１）にて、ごみ処理広域化計画に基づき、ごみを資源として再利用するとともに、エネルギーを有効活用し、埋立量やダイオキシン類の発生をできるだけ抑える循環型社会を目指し、平成１５年度より稼働している。
受け入れごみの処理能力は、生ごみが５５ｔ／日、資源・粗大・不燃・その他ごみは選別を行っており１８ｔ／日、可燃ごみは５８ｔ／日を圧縮処理できる。平成１８年度の実績としては、３市２町（人口約９万人）で約６２ｔ／日となっており、内訳としては、可燃ごみが約５０％、生ごみは約３３％である。
生ごみから得られるバイオガスは、図－２に示す
高速メタン発酵処理施設にて生成後、発電機の燃料として利用し、得られる電力は施設内利用と余剰は売電している。
また、施設内のボイラー燃料としても利用し、温水は発酵槽の加温、冷暖房や冬期間の敷地内ロードヒーティングにも利用している。更に発酵後の汚泥は、堆肥として加工し農地還元している。ここで、
3バイオガスの生成量８３，０００ｍ ／月（H18 年度実績）に対し、余剰量が１０，０００～２７，０００ｍ 3 程度発生しており、通常は燃焼処分させているが、この余剰ガスを更に精製圧縮充填装置により、圧縮調整することでＣＮＧ車の燃料として有効活用を試みることとした。

図-2

高速メタン発酵処理施設（滝川市、ﾘｻｲｸﾘｰﾝ）４．ＣＮＧ車への充填
バイオガスをＣＮＧ車へ充填する際には、精製圧縮充填装置を使用するが、これは、北海道開発局において、「バイオマス・ニッポン総合戦略」の目標を達成すべく、バイオガス多角的利用に関する地産地消モデル構築調査の一環として、エアー・ウォー
ター(株)との協力により開発された装置である。
特徴としては、すべての機器・配管類を２０フィ
Hideki Kunishima, Tadashi Nagase, Akihiro Kouno

ートコンテナ内に搭載し、車輌での移動を可能としており、メタン濃度が５０～６０％の原料バイオガ
スを膜分離装置にて９３％程度まで精製することにより、熱量を都市ガスの１２Ａ相当に調整可能である。更に CNG 車などのボンベに充填するために約２０ MPa まで昇圧可能である。処理フロー及び主要諸元を図－３及び表－１に示す。

車輌へ充填

図-3

バイオガス精製圧縮充填装置の処理フロー（エアー・ウオーター(株)）表-1

バイオガス精製圧縮充填装置主要諸元

大気条件
温度－２０～４０℃
湿度
３０～８０％ＲＨ
原料バイオガス条件
組成 メタン
５０～６０％
二酸化炭素
３５～４５％
窒素５％
硫化水素
５ppm以下（脱硫処理後）精製ガス（想定値）
組成 メタン
９３．０％
二酸化炭素
０．５％
窒素
５．５％
硫化水素
１ppm以下付臭剤
微量（ＴＨＴ）
発熱量 １２Ａ相当
約３８ＭＪ/Ｎｍ3
3
精製量 ９６Ｎｍ /日程度
精製方式 膜分離方式
充填能力
上限充填圧力 ２４．５ＭPa（３５℃）
有効蓄ガス量 ５０Ｎｍ3
使用条件
運転期間
通年
設置場所
屋外
使用電力
２００Ｖ 三相コンテナ
長さ5,919㎜
幅2,340㎜
高さ2,380㎜

この装置により、リサイクリーンより発生し精製したガーベイジ・バイオガスを北海道開発局札幌開発建設部滝川道路事務所のＣＮＧ車仕様の道路パト
ロールカー（以下、CNG 道路パトロールカー）燃料として使用する。この車輌は、ガソリンとＣＮＧを切り替えて使用することが可能なバイフューエルタイプであり、基本的にバイオガスを使用することとした。また、必要に応じ、リサイクリーンにてガスの充填を行い、通常の道路巡回業務にて使用する。精製圧縮装置設置状況を写真－１に、ＣＮＧ道路パトロールカーへのガス充填状況を
写真－２に、ＣＮＧ道路パトロールカーの主要諸元を表－２に示す。

写真-1

写真-2

バイオガス圧縮精製充填装置設置状況

バイオガス充填状況（滝川市、ﾘｻｲｸﾘｰﾝ）表-2

ＣＮＧ道路パトロールカーの主要諸元

項目
ベース車種
全長
全幅
全高
車両総重量
乗車定員
機関仕様
トヨタ ハイラックスサーフ
４，７７０㎜
１，８７５㎜２，１２０㎜
２，３２５㎏
５名
形式：ガソリン機関、ＣＮＧ切替使用可
最高出力（ガソリン）：１２０ｋW
最大トルク（ガソリン）：２４６Ｎｍ
排気量
２，７００cc
クラッチ形式
トルクコンバータ式
駆動方式
前２駆動（切替式）、後２駆動
タンク容量
ガソリン ８７Ｌ
ＣＮＧ
２７Ｎｍ3
CNG充填圧力 ２０ＭＰａ

５．積雪寒冷地における適応性調査
バイオガスは、生ゴミなどの有機物が原料であり、食物連鎖を考えると光合成を行う植物が起源となることから、最終的にガスが燃焼され CO2 が排出さ
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れても、再び植物が吸収して循環されるとの考えか
ら、カーボンニュートラルであるとされている。しかしながら本研究では、バイオガスを燃焼使用した際の CO2 排出量を把握し、ガソリン使用時と比較することで、実質的な排出量や経済性比較を行うとともに、年間を通して使用することで、積雪や凍結など寒冷地ならではの課題やバイオガス使用時の車輌の始動性や動力性能などの課題を抽出し、対応策を検討することとする。
(1)エンジン始動性調査
北海道開発局に導入されている各種メーカー、各規格ＣＮＧ車のエンジン始動には、ガソリンと比較し時間がかかる場合がある。バイオガスの場合もエンジン始動性には難があり、特に気温が下がり着火性が悪くなる冬期間においては懸念がある。よって、１０月と１２月の午前中において、その日の最初にエンジン始動させた場合のセル動作時間を計測した。
なお、計測は手動におけるストップウォッチ計測であり、若干の誤差は想定される。セル動作は、エンジンが掛かった段階ですぐに止めて２回目以降を繰り返し行った。結果を表－３に示す。両日とも気温に対し、エンジン表面温度が低いのは、ボンネッ
トの中にあるエンジンが前夜に冷え込んだまま、午前中は、まだ気温までに上昇していないためである。
セル動作時間は、両日とも１回目に最も時間が掛かり、２回目以降は３秒程度で安定している。特に気温、湿度、エンジン温度による影響は無いことが解る。１回目始動までの時間は４～５秒であり、通常乗車している運転員の聞き取り結果である５秒程度と同様である。また、運転員よりＣＮＧ使用の場合も同様な始動時間であると聞いている。
表-3

エンジン始動調査

月日
10月28日 12月25日
測定時間
AM10:30頃 AM10:30頃
気温８．３℃
４．３℃
湿度68%
67%
エンジン表面温度
５．３℃-２．０℃
セル動作時間１回目 ５．４sec
３．６sec
２回目 ２．８sec
３．０sec
３回目 ２．７sec
３．２sec
４回目 ２．７sec
３．０sec
５回目 ３．１sec
３．１ｓｅｃ
６回目（ガソリン） ０．８sec
０．９sec(2)馬力、トルク計測試験
一般的に CNG 車の馬力（出力）は、ガソリン車に比べて落ちる。ガソリンの主成分でオクタン価（ノッキングの起こりにくさ）の指標値を１００としているイソオクタン（Ｃ 8 Ｈ 18）と比較すると、天然ガスの主成分であるメタン（ＣＨ 4）のオクタン価は１３０程度２）であり、燃焼効率からいうと向上するが、天然ガスは気体であり、単位容積における発熱量が少ないため、エンジン馬力については低下する。バイオガスの主成分もメタンであり同様の結果になると考えられるため、実際のガソリン燃料使用時との比較をシャーシダイナモを使用し、馬力及びトルク測定を実施した。なお、測定は後輪駆動のみとし、ガソリン使用時とバイオガス使用時で比較測定した。計測状況を写真－３に、測定結果を図－４に示す。

写真-3

シャーシダイナモ測定状況

０ｒｐｍであり、その場合における出力の落ち込みは２０％程度であり影響は少ない。通常乗車している運転員の聞き取り結果からも、登坂時に力の無さを感じるが、通常では特に問題無いとのフィーリングを得ている。
(3)加速試験
馬力・トルク計測試験において、バイオガス使用時はガソリン使用時に比較し２０～３０％低下することが判明したが、実際の走行時の影響を検証するために、当研究所構内にて加速試験を行った。計測機器は、GPS による位相から速度、移動距離、移動時間などを計測可能な「VBOX」を車輌に搭載し実施した。写真－４に装着状況を示す。

写真-4「VBOX」（GPS式速度距離測定装置）装着状況

加速性能試験は、車輌停止からアクセルを全開にし、直線で７０ｍ走行するまでにかかった時間を比較する。ガソリン、バイオガスそれぞれ５回走行しての平均値での比較を図－５に示す。

図-4馬力・トルク曲線（シャーシダイナモによる）測定結果より、最大出力の比較はガソリン使用時は、１４３．９ＰＳ（１０５．８ｋＷ）で、バイオガス使用時は１０１．２ＰＳ（７４．４ｋＷ）であった。よって、約３０％ほどバイオガス使用時の出力が落ちていることが解った。図－４よりトルクについてもほぼ同様な傾向が見られる。一般的に市販されているガソリン車の出力で１００ＰＳ程度の車輌は、排気量が１，５００ cc クラスであり、特に影響はないと考えられる。また、実運用時におけるエンジン回転数は、５０㎞／ｈ走行時で約２，００
Hideki Kunishima, Tadashi Nagase, Akihiro Kouno

図-5

加速試験結果測定結果より、走行距離７０ｍ到達地点で速度が約１５％、時間で１８％程度バイオガスが劣っているが、７０ｍ地点で走行速度が約５０㎞／ｈに達しており、高速道路に進入する際に必要な加速度は十分であることが解る。加速試験状況を写真－５に示す。

ガソリンが約１４．６％、バイオガスが約１０．６％であり、バイオガスの方が２７％程度少ない値となっている。

６．現在までの稼働状況
写真-5

加速試験状況（寒地土研構内）(4)排出ガス成分測定
排出ガス成分測定は、ハンディ型で車載しながらの測定も可能な「Ａｕｔｏ５．１」を使用し、ＣＯ 2、ＣＯ、Ｏ 2 をガソリン、バイオガスにて計測した。なお、測定はアイドリング状態で５分程度行い、安定した１分間を比較することとした。測定状況を
写真－６に、測定結果を図－６に示す。

平成２０年１２月末までのバイオガス使用分の道
路パトロールカー稼働状況を表－４に示す。
表－４

月
６月
７月
８月
９月
１０月
１１月
１２月
累計

バイオガス使用実績

走行距離㎞ 使用量ｍ3 備考
697
60.7 ２０日～
1,231
216.3
1,238179.5
1,285185.0
1,161217.3
968
200.6
1,123193.5
7,703
1,252.9

道路パトロールカーは、週に３回の定期的な通常道路巡回及び緊急時点検、異常時点検などに使用している。１２月までの燃料消費率は、６．１㎞/ｍ３である。これをガソリンに換算すると、同車輌における過去の実績より１リットル当たりの燃料消費率がほぼ同等であることから、単純な経済効果を算出
すると下記の通りとなる。
写真-6「Ａｕｔｏ５．１」（自動車排ガス分析計）による測定状況

7,703 ㎞÷ 6.1 ㎞/L × 110 円/L ≒（ガソリン単価は、H21 年 1 月）

１４万円

また、この距離をガソリンで走行した場合に比較するとＣＯ 2 削減量は、５－(4)排出ガス成分測定
結果及び一般的にガソリン１リットル当たりのＣＯ2 排出量が２．３㎏であることから、下記の通りとなる。
1,252.9 Ｌ× 2.3 ㎏/L ＝ 2,881.7 ㎏
2,8817.7 ㎏× 0.27（ＣＯ 2 削減率）＝７７８㎏

図-6

排出ガス成分測定結果（アイドリング時、エンジン回転数約６５０ｒｐｍ）図－６より、アイドリング時においては大きな成分の変動は見られない。Ｏ 2、ＣＯ（ガソリン）は、１％未満で推移している。ＣＯ（バイオガス）は２％弱であり、ガソリンよりは高めである。ＣＯ 2 は、
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高さ４～５ｍの松ノ木が年間に吸収するＣＯ 2 量は、約１９０㎏３）と言われていることから、これだけで松ノ木約４本分に相当する。
バイオガス圧縮精製充填装置については、１２月現在までは順調に稼働している。冬期間において、リサイクリーンのバイオガスホルダーと装置間のガス配管内凍結を防止するために、リボンヒーターと防寒材を巻いている。また、ＣＮＧ道路パトロールカーへ充填の際に、装置開閉扉周辺への積雪が支障となるため、防寒シートと単管足場にて簡易的に囲いを設置したが、装置への影響や使用上の課題などを今後調査する予定である。凍結対策状況を写真－
７、８に、防寒囲い状況を写真－９に示す。

写真-7

ヒーター巻付状況写真-9

写真-8

保温材巻付状況

防寒囲い状況

今回の試験結果より、バイオガスを燃料とした場合の車輌動力性能や初冬における始動性などについて、特に問題点が無いことが解った。今後は、更なる低温における車輌の始動性などの課題の把握やバイオガス精製圧縮充填装置に対する凍結や積雪対策の有効性などの調査を行うとともに、シーズン通してのＣＯ 2 削減率や経済性などを把握する予定である。
最終的にはこれらの調査試験を通して、運用面や技術的な課題を抽出し、改善策を検討することにより、北海道など低温、積雪寒冷地において比較的コンパクトで地域導入しやすいＣＯ 2 削減や未利用エネルギー導入モデルを作成し、提案していく。
これにより、北海道などに潜在する環境負荷の少ないエネルギーや未利用エネルギーの利用促進、エネルギー供給施設などインフラの整備促進に繋がっていくことで、結果として世界的な温室効果ガスの削減に寄与できると考えている。

参考文献
１）中空知衛生施設組合ホームページ
２）日本ガス協会ホームページ

７．あとがきHideki Kunishima, Tadashi Nagase, Akihiro Kouno３）ＮＰＯ法人 住環境改善センターホームページ